Whoscored(中国·中文)官网-专注足球数据分析的专业平台

导言

谷歌与母公司Alphabet的登月工厂（Moonshot Factory)研究人员在OFC2024发表逆向设计硅基光电子器件的成果，本文带领大家一起学习。近年来，硅基光电子领域取得了显着进步，部分原因是逆向设计光子器件的出现。与依赖直觉和经验的传统设计方法不同，逆向设计从所需的器件性能出发，然后利用优化算法找到最佳器件结构。这种创新方法有可能释放出以前难以实现甚至不可能实现的新型光子器件。

然而，逆向设计光子器件的采用面临着关键挑战，特别是围绕器件性能的可预测性和可变性。逆向设计器件中复杂且往往非直观的图案会带来制造复杂性，因此证明这些器件能够在多个制造样品中提供可预测的性能和一致的行为很重要。

在本教程中，我们将探讨在 O 波段（1270 纳米至 1330 纳米）工作的逆向设计硅基粗波分复用器 （CWDM) 解复用器 （DEMUX) 的设计、制造和特性分析。该器件作为案例研究，展示了反向设计光子器件在实际应用中的能力和注意事项。

器件设计

为了展示反向设计光子器件在现实世界中的应用，首先设计了 CWDM4 解复用器，用于分离 O 波段 1270 nm、1290 nm、1310 nm 和 1330 nm 的四个波长通道。

该器件是在绝缘体上硅（SOI）平台上设计的，硅厚度由代工厂的工艺设计工具包（PDK）决定。设计优化采用 [4] 中介绍的拓扑优化方法，该方法将 14 μm × 16 μm 设计区域离散为 10 nm 像素。利用无差别条件发生器和直通估计器 [5]，通过发生器进行反向传播，执行严格的设计规则约束。器件的电磁仿真采用有限差分时域求解器 [6]。

最终的优化设计如图 1（a）所示，由硅和氧化硅区域组成的复杂图案符合代工厂的设计规则。图 1（b）显示了四个通道（1270 纳米、1290 纳米、1310 纳米和 1330 纳米）中心波长的能量强度，说明了器件内光场的空间分布。

实验结果

反向设计的 CWDM DEMUX 器件是在 GlobalFoundries 公司采用 45SPCLO 硅光子工艺的无源流程中制造的。测量在晶圆级进行，激光源扫过不同波长，光电二极管检测相应的输出信号。通过减去光栅参考测量值，被测设备（DUT）的光谱被去嵌入。

图 2（a) 显示了四个 DEMUX 通道的模拟和测量透射光谱对比。粗实线表示模拟光谱，虚线表示测量光谱。模拟与测量之间的良好一致性表明，反向设计器件具有很高的性能可预测性。

为了进一步检验器件的可变性，图 2（b) 重叠了 34 个不同芯片的透射光谱。红色（通道 4）和绿色（信道 3）信道的放大图分别见图 2（c) 和图 2（d)。这些图显示了 34 个芯片的性能一致，测量结果仅有细微差别。

图 3 总结了从测量结果中提取的关键性能指标。图 3（a) 显示了每个信道的最差插入损耗，平均值在 2 dB 至 3.3 dB 之间。插入损耗的单西格玛分布为 0.41 dB，显示了相当低的可变性。图 3（b) 提供了最差串扰的统计数据，平均值在 19 dB 至 26 dB 之间。串扰的一西格玛分布为 0.62 dB，进一步凸显了所制造器件的一致性能。

值得注意的是，虽然整体性能很好，但在某些方面仍有改进的余地，例如特定通道的插入损耗和串扰。在信道 3（绿色通道）中观察到的仿真与测量差异表明，在反向设计过程中需要进一步优化和改进。

结论

在本文展示了在 O 波段工作的反向设计硅基 CWDM DEMUX 的设计、制造和特性分析。这项工作的主要亮点包括：

1. 逆向设计方法： 采用了基于拓扑优化的反向设计方法，创建了具有复杂、非直观结构的 CWDM DEMUX，满足了代工厂的设计规则。

2. 性能可预测性： 模拟和测量器件性能之间的良好一致性表明，逆向设计的光子器件具有很高的可预测性。

3. 器件变异性： 在 34 个制造的芯片中观察到的性能一致，插入损耗和串扰的一西格码变化相当低，这表明反向设计光子技术在大规模生产中的可行性。

这项关于 CWDM DEMUX 的案例研究凸显了逆向设计在创新和实用光子器件方面的潜力。尽管挑战依然存在，但在可预测性和可变性方面所展示的能力代表逆向设计光子器件在实际应用中迈出的重要一步。

参考文献

[1] T. Van Vaerenbergh, S. Hooten, M. Jain, P. Sun, Q. Wilmart, A. Seyedi, Z. Huang, M. Fiorentino, and R. Beausoleil, "Wafer-level testing of inverse-designed and adjoint-inspired dual layer Si-SiN vertical grating couplers," J. Phys. Photonics 4(4), 044001 (2022).

[2] Yang, K.Y., Shirpurkar, C., White, A.D. et al. "Multi-dimensional data transmission using inverse-designed silicon photonics and microcombs," Nat Commun 13, 7862 (2022).

[3] A. M. Hammond, J. B. Slaby, M. J. Probst, and S. E. Ralph, "Multi-layer inverse design of vertical grating couplers for high-density, commercial foundry interconnects," Opt. Express 30(17), 31058–31072 (2022).

[4] Martin F. Schubert, Alfred K. C. Cheung, Ian A. D. Williamson, Aleksandra Spyra, and David H. Alexander, " Inverse Design of Photonic Devices with Strict Foundry Fabrication Constraints," ACS Photonics 9 (7), 2327-2336 (2022).

[5] Y. Bengio, N. Léonard, A. Courville, "Estimating or Propagating Gradients Through Stochastic Neurons for Conditional Computation," arXiv:1308.3432 [cs.LG] (2013).

[6] A. Taflove, S. C. Hagness, "Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method," 3rd ed., Artech, Norwood, MA (2005).